Живем долго, но медленно

«Биология приобретает смысл только в свете эволюции», – сказал когда-то известный генетик Феодосий Добржанский. А что имеет смысл в самой эволюции? Ученые считают, что этот смысл заложен в приспособленности организмов, которая определяется количеством потомков, доживших до половой зрелости. Но продолжительность жизни разных организмов напрямую не связана с их приспособленностью, и выходит, что такой признак для эволюции не особенно важен: он является лишь побочным продуктом.

Однако продолжительность жизни имеет ценность для каждого человека. Почему одни виды живут долго, а другие мало? Почему одни люди живут дольше среднего, а другие – меньше, и какое оно, это среднее? А что можно подразумевать под максимумом? Прочитанные на сегодняшний день сотни ядерных и десятки тысяч митохондриальных геномов животных и человека позволяют ученым изучать эти вопросы на сравнительно-геномном уровне, пользуясь инструментами биоинформатики.

 Атомы не стареют   

С генетической компонентой старения попытался разобраться на лекции в Политехническом музее столицы кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры медицинской генетики и развития медицинского факультета Университета Женевы (Швейцария), научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН Константин Попадьин.

– Старение – тема очень сложная, многие ученые занимаются этой проблемой, – сказал К.Попадьин. – И если сейчас всех специалистов собрать в одном зале, то окажется, что им и говорить-то не о чем, поскольку подходы и взгляды на процесс увядания организма абсолютно разные. Одни занимаются молекулярной стороной, другие – физиологической, третьи – эволюционной, как, например, ваш покорный слуга.

Оставим на время выступление лектора и скажем о том, что до середины 90-х годов прошлого века среди многочисленных концепций старения доминировала концепция износа, пассивного снижения работы организма с возрастом (гипотеза «катастрофы ошибок», свободнорадикальная теория, гипотеза соматического мутагенеза и пр.). Кроме того, основные эволюционные теории базировались на том, что «гены старения» не могут возникнуть в естественных условиях, поскольку до глубокой старости доживают единицы и их генетический вклад в популяцию минимален. Последние достижения молекулярной генетики, клинической эпидемиологии и демографии заставили изменить такие взгляды. Ученые, проводя исследования на модельных организмах (дрожжах, дрозофилах, грызунах), показали в своих работах, что существует реальная возможность устойчивости к стрессам и продления активной жизни человека в результате мутаций, делеций или сверхэкспрессии отдельных генов.

– Наш организм состоит из органов, органы из тканей, ткани из клеток, клетки из молекул, молекулы из атомов, – продолжает Константин Попадьин. – Атомы, как известно, не стареют. Получается, если мы поднимемся вверх по этой иерархической цепочке, то обнаружим где-то сбой, приводящий к старению всего организма, всей системы в целом, подтвердив тем самым теорию системных ошибок.

Подобная теория изначально была придумана математиками для описания поломок машин, компьютеров и прочей техники, но ее можно удачно приложить и к биологии. Почему, например, у нас появляются свойства старения, если мы состоим из атомов? Они же не стареют! Теория системных ошибок «раскладывается» на живые и неживые объекты, а старение – это процесс, который приводит с возрастом к увеличению риска любых поломок.
Лектор предлагает взглянуть на слайд, на котором изображены годовые кольца дерева. Всем известно, что с возрастом дерева их количество увеличивается. Это биомаркер возраста, но отнюдь не старения. И чем больше возраст дерева, тем более асимметричны кольца, тем более кривыми они становятся. Значит, с увеличением возраста начинает расти и степень старения.

– Представим себе придуманный организм – идеальные часы, которые показывают всегда точное время. Часы – биомаркер старения: они сами считают возраст и время, но не стареют, – говорит Попадьин. – Возраст идет, а старения не происходит, это – нестареющая система. Если мы обратимся к атомам и элементарным частицам, то столкнемся с одним необъяснимым хаотическим процессом – спонтанным распадом атомов и частиц. Относительно стабильными оказываются только атомы, ядра которых имеют более-менее определенное соотношение протонов и нейтронов. В ядрах с аномальным перевесом протонов один из них распадается на нейтрон, позитрон…Удивитель-но то, что ни у радиоактивных атомов, ни в их ядрах не замечено никаких «возрастных» изменений, никаких признаков старения. Каждое отдельное ядро или частица распадаются совершенно случайно.

Но в целом множестве атомов процесс распада строго закономерен. Это подводит к мысли, что радиоактивный распад частиц, составляющих ядра атомов (а отсюда и самих атомов), вызывается каким-то странным и маловероятным, но неминуемым спонтанным процессом. Идеальные часы – тоже своего рода радиоактивный распад.

Если бы люди не старели, то кривая выживаемости у всех организмов была бы похожа на радиоактивный распад. Вероятность распада каждого конкретного ядра от времени не зависит, поэтому такое ядро уже по определению не является стареющей системой. Однако в биологии стареют почти все виды.

Елочная гирлянда

– Давайте рассмотрим, каким образом соединены в нашем организме некоторые органы, к примеру, сердце и мозг, – предлагает К.Попадьин. – Они соединены последовательно. При подобном соединении система будет погибать, если погибает один из элементов. Представьте себе елочную гирлянду: когда что-то не срабатывает – гирлянда не горит. В таком случае кривая нашего выживания будет похожа на радиоактивный распад, а любая ошибка приведет к гибели. И продолжительность жизни окажется короткой.

При параллельном соединении мы накапливаем поломки. Накопили один поломанный нейрон, накопили второй, третий, пусть их будет много, поломанных нейронов, до 60% – и ничего, мы продолжим здравствовать. В чем же разница между последовательным и параллельным «подключением» наших органов, тканей?.. В первом случае это нестареющая система (радиоактивный распад), во втором – система с накоплением ошибок, у которой появляется феномен старения. Чем сильнее у нас будет проходить паралле-лизация, тем больше мы начнем накапливать ошибок и тем позже будем стареть. Вроде как хорошо, но процесс старения будет идти интенсивнее. Это обратная сторона медали.
 
Мутации набираются в разных количествах и в разных видах, в зависимости от численности этого вида, от внешних факторов смертности. Возьмем в качестве примера мышей. В подавляющем большинстве они гибнут от хищников, хотя в хороших условиях могли бы жить дольше, но – не успевают. Если мышь все-таки доживает до 3 лет, то она всё равно будет накапливать вредные мутации после 3 лет, даже в лаборатории, и погибнет. Отсюда вывод: фенотипический эффект старения может быть обусловлен экспрессией сотен или тысяч вредных мутаций. И вредных, именно в послерепродуктивный период. Есть небольшая группа мутаций, которые полезны в раннем возрасте и вредны в позднем. Если, к примеру, отложение кальция в костях в молодости необходимо, то потом это может привести к заболеваниям. Но «хорошие» мутации пока еще изучены слабо. В биологии, как уже говорилось, все виды стареют, но в природе мы не встречаем старых особей. У шимпанзе, нашего дальнего «родственника», пик размножения приходится на 30 лет – так же, как и у человека, и в 45 лет снижается практически до нуля.

Эти уникальные зверушки

У обычных мышей, живущих совсем немного, есть удивительные сородичи, продолжительность жизни которых составляет почти 30 лет. Это голые землекопы, обитающие в сухих саваннах и полупустынях Кении, Эфиопии и Сомали. Они являются одним из двух видов млекопитающих, которые не имеют волосяного покрова. Специалисты объясняют долголетие этих зверушек низким уровнем метаболизма. Они часто впадают в «оцепенение», при котором уровень обменных процессов и температура тела могут опускаться у них до низких показателей, благодаря чему можно успешно экономить энергию. Кроме того, голые землекопы способны замедлять обменные процессы, если, скажем, испытывают нехватку еды или какой-либо другой дефицит. И получается, что живут они как бы медленнее, но дольше. Чем ниже уровень метаболизма, тем больше продолжительность жизни – это уже доказано на множестве примеров представителей класса млекопитающих. Землекопы отличаются также нечувствительностью к кислотам и к боли, редкой выносливостью по отношению к высоким концентрациям углекислого газа. Изучая этих грызунов, ученые высказывают предположение, что способность к уменьшению температуры тела может быть вызвана пониженным уровнем в их крови гормона тироксина, то есть чем дольше живет землекоп, тем ниже в его крови концентрация тироксина.

Интересно еще и то, что землекопы живут колониями, что характерно, скорее для насекомых, чем для млекопитающих. Во главе колонии стоит самка – производительница (королева), которая спаривается только с 2-3 самцами. Остальной «народ» – это рабочие особи, которые добывают еду, строят тоннели, воспитывают детей в «детском саду», защищают колонию от хищников… Среди млекопитающих это единственный пример жесткой биосоциальности. Но главное в том, что у грызунов отсутствуют признаки старения, плотность костей абсолютно не уменьшается с возрастом. Зверьки не болеют раком и живут в 10 раз дольше аналогичных видов.

Редкое долголетие голых землекопов обнаружено не так давно, и пока еще с точки зрения геронтологии изучены они слабо. Но интерес к ним ученых, как зарубежных, так и российских, растет всё больше и больше. Зверушки представляют собой очень хорошую биологическую модель для исследования механизмов старения, а также модель для противораковой защиты живых организмов.

Два года назад американские специалисты обнаружили у грызунов один из генов, который делает невозможным беспрепятственное деление клеток в их организме. Попытки вызвать мутагенез у этих животных приводили всего лишь к некоторому изменению клеточного роста, в то время как у обычных мышей от такого воздействия развивался рак. Выяснилось, что фибробласты голого землекопа обладают повышенной чувствительностью к контактному торможению. Анализируя биохимические процессы у землекопов и обычных мышей, ученые стремятся понять вклад тех и других животных в процесс увядания организма, развития различных заболеваний, глубже разобраться в молекулярных основах старения.

Как жить долго?

Извечный вопрос… Все мы прекрасно знаем, что и среди людей есть долгожители, и ученые всего мира давно и успешно изу чают этот феномен. Например, исследования американскими специалистами процесса жизни супердолгожителей – японцев, проживших 110 лет и более, показали, что эти люди, несмотря на свой возраст, практически не страдают болезнями сердца, раком и диабетом – так называемыми возрастными заболеваниями. Примечателен и тот факт, что до 105-летнего возраста долгожители не нуждались в посторонней помощи и жили независимо, отдельно от родственников. Работы заокеанских коллег по исследованию жителей Окинавы, проживших 100 и более лет, подтвердили пользу низкокалорийной диеты. Японцы «сидели» на ней в молодые годы, и в течение всей жизни имели относительно низкий вес.

– В случае с долгожителями четко прослеживается очень сильная генетическая предрасположенность, – замечает К.Попадьин, – ну и, конечно, приверженность к правильному образу жизни. Хочу подчеркнуть, что у тех, кто живет долго (неважно, люди это или млекопитающие), темп мутирования довольно низкий. Мутации (вредные, полезные) нужно еще изучать и изучать.

Старение, написал когда-то профессор В.Дильман в своей книге «Большие биологические часы», – это болезнь регуляции, и поэтому во многих отношениях может поддаваться лечению.

Татьяна КУЗИВ, корр. «МГ».